01引言
一氧化氮(NO)是生物体内的重要信号分子,与许多生理和病理过程紧密相关。实时、准确地检测NO对生物诊断和临床治疗具有重要意义。双光子荧光探针是一种灵敏度高、响应速度快和操作简便的检测方法。实验上,科学家大多基于经验性的光致电子转移(PET)原理设计NO荧光探针,邻苯二胺常用作探针结构中识别NO的受体单元。结合NO以后,邻苯二胺单元会发生反应,从而转变为苯并三氮唑(TZ)。
然而,PET机理并未得到充分地论证,光物理过程也缺乏清晰的物理图像。此外,由于生物体内不同细胞器中的PH环境不同,荧光探针在相应生理环境中的耐受性也至关重要。因此,从理论层面表征双光子荧光探针的响应机理、光物理性质和pH效应迫在眉睫。本研究选取了荧光团不同的NINO和PYSNO(两种NO荧光探针)及NINO-TZ和PYSNO-TZ(结合NO后的产物)进行对比研究,使用鸿之微MOMAP软件对上述体系的激发态衰减动力学过程进行了详细的计算研究,分析了光物理过程中涉及的关键因素。
02 成果简介
研究者结合极化连续介质模型(PCM)、含时密度泛函理论(TD-DFT)和热振动关联函数方法(TVCF)方法,系统地研究了NINO和PYSNO探针在水溶液中的响应机理、荧光辐射过程、无辐射弛豫过程和双光子吸收过程,以及质子化后的相应过程是否发生变化。使用鸿之微MOMAP软件,研究者计算了非绝热电子耦合、振动弛豫能、黄昆因子和激发态衰减速率。
研究者发现,NINO探针对NO的响应机理是PET的“开-关”效应,而PYSNO探针的NO感应机制则是无辐射弛豫过程受限。理论预测结果表明,在近红外区域(>700 nm),PYSNO相比于NINO具有更大的双光子吸收截面,其根源在于噻吩基团的引入。质子化效应结果表明,溶酶体靶向的吗啉环是质子结合的最佳位点,酸性pH环境对NINO和PYSNO探针的响应机理和光物理性质影响不大。
0****3图文导读
图1 两种探针不同的光物理图像
图2 响应机理分析
图3 荧光辐射过程分析
图4 无辐射弛豫过程分析
图5 双光子吸收过程分析
图6 质子化效应分析
0****4 小结
我们对两种双光子NO荧光探针的响应机理、光物理性质和质子化效应进行了深入的理论研究。响应机理分析结果表明,NINO探针是PET的“开-关”效应,PYSNO探针则是无辐射弛豫过程受限。荧光辐射过程分析结果表明,NINO因空穴-电子分离导致kr很小荧光微弱,NINO-TZ则由于空穴-电子重叠导致kr增大荧光恢复。
PYSNO和PYSNO-TZ因具备充足的空穴-电子重叠,荧光辐射过程并未受阻。无辐射弛豫过程分析结果表明,PYSNO-TZ因绝热激发能增大和振动弛豫能减小导致knr减小从而荧光增强。双光子吸收过程分析结果表明,虽然NINO已成功用于双光子荧光成像,但我们预言PYSNO在近红外区域具有更优异的双光子吸收截面。质子化效应分析结果表明,两种探针都能在酸性溶酶体环境中有效工作。
审核编辑:刘清
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原文标题:文献赏析 ︱ 双光子NO荧光探针的理论表征:响应机理、光物理性质和质子化效应
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